側(cè)方基坑開挖對盾構(gòu)隧道的影響研究

聶 浩 張 康 鹿 江 卜慶源 周雨陽 杲 昊

(1. 中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院,山東濟南 250001;2. 濟南軌道交通集團有限公司,山東濟南 250001)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展,地下隧道與基坑工程的相對距離也越來越近。 為保證城市軌道交通建設與運營的安全,進行基坑開挖對既有盾構(gòu)隧道的影響研究顯得十分重要[12]。

目前,國內(nèi)學者利用數(shù)值計算的方法對既有軌道交通上方基坑開挖進行了大量研究。 蔡建鵬[3]分析了基坑開挖卸荷再加載對下臥隧道的影響,并據(jù)此提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。 曹前[4]計算了基坑開挖后下臥隧道的變形及內(nèi)力,提出可采用分倉開挖方式降低其影響。 高強[5]認為:采用分槽、分段、分層、對稱開挖方式,可有效控制坑底土體隆起及下臥隧道的變形。 李輝[6]認為:可通過隧道縱向變形曲率、螺栓的張開量及內(nèi)力關(guān)系區(qū)分基坑開挖的影響區(qū)。 徐中華[79]等對基坑開挖巖土體本構(gòu)模型及巖土體參數(shù)進行了適用性分析。 李志高[1011]等通過實測數(shù)據(jù)進行了基坑開挖對盾構(gòu)隧道影響的分析,并針對基坑特點提出相應的工程措施。 張俊峰[12]利用數(shù)值計算與現(xiàn)場監(jiān)測等方法,對上海軟土地區(qū)上臥基坑開挖進行綜合比較分析,得到基坑開挖后的變形特征。 以往研究中,基坑多處于隧道正上方,對于基坑位于盾構(gòu)隧道側(cè)方的研究相對較少。

以濟南市某臨近地鐵隧道基坑開挖為背景,研究基坑放坡開挖對側(cè)方盾構(gòu)隧道的影響。

1 工程概況

1.1 工程環(huán)境

擬開挖基坑頂部與鄰近區(qū)間隧道之間水平投影距離為10.6 m,基坑底部距隧道頂部的豎向投影距離為5.4 m,基坑開挖最深處距場坪地表約為8.30 m。 綜合技術(shù)與經(jīng)濟條件,擬采用土釘放坡開挖的支護形式(按1 ∶0.3 放坡),共設置5 排土釘,土釘長度分別為9.0 m、9.0 m、12 m、12 m、7.5 m,豎向與橫向間距均為1.5 m,入射角為15°,采用直徑為110 mm 的土釘鉆孔。 基坑長約80 m,基坑長軸方向與區(qū)間隧道軸向近似平行,基坑與左右線隧道的平剖面相對位置關(guān)系如圖1 ～圖2。

圖1 基坑與隧道平面相對位置關(guān)系(單位:m)

1.2 工程地質(zhì)概況

工程影響范圍內(nèi)的巖土體主要為素填土、粉質(zhì)黏土、殘積土、全風化及強風化閃長巖等,巖土體物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學參數(shù)

場地地下水屬孔隙潛水,地下水位埋深較淺,豐水期水位接近地表。 地下水對地下結(jié)構(gòu)的混凝土及鋼筋具有微弱腐蝕性。

1.3 基坑支護方案

圖2 剖面相對位置關(guān)系(單位:mm,高程:m)

該基坑的開挖深度相對較淺且距軌道交通區(qū)間隧道相對較遠,依據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》中外部作業(yè)工程影響分區(qū)劃分原則,可判定該工程處于一般影響區(qū)。 此時,盾構(gòu)隧道已通過基坑位置,尚未進行鋪軌作業(yè),區(qū)間隧道變形控制指標相對寬松。 綜合開挖技術(shù)條件與工程成本,擬采用土釘開挖支護形式。

根據(jù)地勘資料,施工期內(nèi)地下水位埋深為2.10 ～3.70 m 之間,地下水較豐富。 為避免基坑施工降水對盾構(gòu)隧道產(chǎn)生不良影響,采用了止水帷幕截水、回灌井補水等措施,以保證區(qū)間隧道周圍區(qū)域大體處于原地下水環(huán)境。

2 數(shù)值分析

2.1 模型建立

依據(jù)隧道與基坑的空間位置關(guān)系,利用FLAC3D建立三維有限元計算模型。

綜合考慮模型計算效率與影響,取模型X 向范圍為85.8 m;區(qū)間隧道距模型底部長度取3 倍左右洞徑長度,則模型Z 向長度為33 m;模型尺寸為:X×Y×Z(長×寬×高)= 85.5 m×150 m×33 m,共有151 220個單元,159 396個節(jié)點。 計算模型如圖3 所示。

采用Mohr-Coulomb 結(jié)構(gòu)模型的實體單元模擬,錨桿采用內(nèi)置cable 結(jié)構(gòu)單元模擬,坡面噴混采用shell結(jié)構(gòu)單元模擬[13],支護結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)管片的相對位置如圖4 所示。

圖3 基坑計算模型

模型上邊界采用自由邊界,模型前、后、左、右采用垂直于模型表面的水平位移約束,模型底部采用豎向位移約束[14]。

2.2 模擬過程

(1)盾構(gòu)隧道開挖

依據(jù)盾構(gòu)機施工特點對盾構(gòu)隧道進行開挖模擬。先利用null 模型模擬距基坑較近一側(cè)的隧道,然后再進行另一側(cè)隧道的開挖模擬。

(2)基坑開挖支護

按照實際開挖工況,利用null 模型模擬基坑的分層開挖,基坑開挖與支護之間的時間間隔利用計算步控制,直至開挖至坑底。

(3)基坑內(nèi)施工

當基坑開挖至底部時,在坑底施加逐步增大的建筑物等效面荷載,模擬基坑內(nèi)建構(gòu)筑物施工過程對盾構(gòu)隧道的影響。

計算步如表2 所示。

表2 基坑施工模擬主要計算步

2.3 數(shù)值計算分析

(1) 盾構(gòu)隧道開挖

盾構(gòu)隧道與基坑開挖前的原巖應力場如圖5 所示,在不考慮構(gòu)造應力場的前提下,原巖應力場呈層狀分布,這與計算基本假設中巖土體層狀分布相一致。

圖5 原巖應力場

在原巖應力的基礎(chǔ)上進行隧道開挖計算,左、右線盾構(gòu)隧道開挖結(jié)束后模型計算結(jié)果如圖6 ～圖9所示。

圖6 盾構(gòu)施工產(chǎn)生的豎向位移

圖7 盾構(gòu)施工產(chǎn)生的管片豎向位移

圖8 盾構(gòu)施工產(chǎn)生的豎向應力

圖9 盾構(gòu)施工產(chǎn)生的管片豎向應力

(2)基坑開挖位移分析

在盾構(gòu)隧道開挖結(jié)束的基礎(chǔ)上進行基坑開挖模擬,基坑開挖至坑底時模型位移如圖10 ～圖12 所示。

由圖10 ～圖12 可得,隨著施工步的逐步增加,靠近隧道側(cè)基坑邊坡的水平位移不斷增大,當開挖至坑底時,水平位移達到最大(2.41 cm)且發(fā)生在靠近隧道側(cè)邊坡居中位置處;隨開挖深度的增加,基坑周邊土體沉降不斷增大,開挖至基坑底部時位移達到最大值(4.23 mm)。

圖11 開挖第十步地層X 向變形

圖12 開挖引起的基坑周邊巖土體節(jié)點位移

基坑開挖至坑底時管片位移如圖13 ～圖14所示。

圖13 基坑開挖引起的盾構(gòu)管片豎向位移

圖14 基坑開挖引起的盾構(gòu)管片X 向位移

基坑開挖后,巖土體應力產(chǎn)生變化。 由于邊坡側(cè)向剛度較小,邊坡產(chǎn)生了較大的水平位移,靠近基坑側(cè)管片也產(chǎn)生一定的水平位移(最大達5.24 mm)。 由于基坑位于盾構(gòu)隧道的側(cè)上方,盾構(gòu)隧道周圍節(jié)點的位移以水平向為主,故基坑開挖后盾構(gòu)隧道豎向變形較小,最大隆起位移僅為1.11 mm。 因基坑距離盾構(gòu)隧道最近位置為拱肩處,故基坑開挖后隧道拱肩變形較大。

為驗證基坑開挖的影響,對基坑開挖過程中盾構(gòu)管片拱腰水平位移、拱頂豎向位移進行了監(jiān)測,監(jiān)測點沿隧道軸向每隔2 m 設置一個。 由圖13、圖14 可知,模型中心位置處水平位移較大,故在模型中間位置處沿隧道管片環(huán)向布設監(jiān)測點-8 至8,監(jiān)測位置及監(jiān)測結(jié)果如圖15 ～圖17 所示。

圖15 管片位移測點位置

圖16 拱腰監(jiān)測點水平位移變化曲線

圖17 拱頂監(jiān)測點豎向位移變化曲線

基坑開挖后,(沿管片軸向)拱腰處水平位移擬合曲線如圖16 所示,由曲率半徑公式

計算得水平向管片最小曲率半徑為482 690 m,滿足相應規(guī)范要求[15]。

基坑開挖后,(沿管片軸向)拱頂豎向位移擬合曲線如圖17 所示,依據(jù)式(1),得管片在鉛垂方向上的最小曲率半徑為5 274 968 m,滿足相應規(guī)范要求。

基坑內(nèi)結(jié)構(gòu)施工前,管片節(jié)點位移最大(見圖18)。

圖18 環(huán)向監(jiān)測點位移

由圖18 可知,最大水平位移監(jiān)測點位于拱肩位置處,拱肩位置處監(jiān)測點隨開挖步的變化規(guī)律如圖19 ～圖20 所示。

圖19 水平位移變化曲線

其中計算步1 到10 為基坑開挖過程,計算步11 為地面以下建筑物完成過程,計算步12 為整棟建筑物完成過程。

圖20 豎向位移變化曲線

由圖19、圖20 可知,各監(jiān)測點的水平變化規(guī)律相同,但豎向變化規(guī)律存在一定的差異,即拱頂節(jié)點豎向變化不大,距離拱頂越遠,豎向位移變化越明顯。

綜上可得:

①基坑中部拱腰位置水平位移量最大(達4.78 mm),并以此為中心呈對稱分布(逐漸減小),當距離中心70 m 后曲線趨于平緩。

②在隧道中心處拱頂上浮0.09 mm,遠離中心則拱頂上浮逐漸減小,當距離基坑中部位置約30 m 時,拱頂上浮量為零。 隨距離的增大,拱頂恢復沉降,直至增加至0.6 mm,并趨于穩(wěn)定。

③拱肩位置(即隧道靠近基坑側(cè)中上部位置處)管片水平位移最大(達5.18 mm),以此監(jiān)測點為中心,兩側(cè)水平位移逐漸減小,接近拱底位置時變形趨于穩(wěn)定。

(3)基坑開挖后管片應力分析

基坑開挖打破了隧道開挖后形成的二次應力平衡,進而導致盾構(gòu)管片應力調(diào)整,以下對三次應力平衡下盾構(gòu)管片應力進行分析。

圖21 管片豎向應力

圖22 管片X 向應力

由圖21、圖22 可得:

①數(shù)值計算過程是以自重應力為主,故隧道結(jié)構(gòu)承受以豎向應力為主的外部荷載,基坑開挖引起應力調(diào)整,沿隧道與基坑直線方向存在卸荷作用,但由于距離較遠,影響相對較小,隧道結(jié)構(gòu)最大豎向壓應力仍發(fā)生在拱肩位置處,最大值為3.58 MPa,未超過盾構(gòu)管片材料的抗壓強度。

②計算過程中隧道結(jié)構(gòu)主要承受豎向應力,X 向應力相對較小,其主要存在于拱頂、拱底位置,最大X向應力為1.69 MPa,未超過盾構(gòu)管片材料的抗壓強度。

3 現(xiàn)場監(jiān)測分析

3.1 監(jiān)測內(nèi)容及測點布設

為保證基坑開挖過程中盾構(gòu)隧道的安全性,在基坑開挖影響區(qū)域內(nèi)對盾構(gòu)上地表、隧道斷面拱頂、隧道凈空收斂進行動態(tài)觀測。 依據(jù)工程特點,每間隔20 m 設置一處觀測斷面,每個觀測斷面均包含地面沉降觀測、拱頂沉降觀測、拱腰凈空收斂觀測以及隧道管片底部隆起觀測,具體觀測斷面測點布設如圖23 所示。

圖23 觀測點布設示意

3.2 監(jiān)測分析

由圖23 可知,基坑開挖對隧道右線影響相對較小,故重點分析隧道左線觀測點的變化規(guī)律,如圖24 所示。

由圖24 可知,基坑中部位置處管片拱腰收斂量最大(為4.59 mm),較數(shù)值計算結(jié)果(4.78 mm) 小0.19 mm,而且管片拱腰位置處隨基坑開挖過程的變形規(guī)律與數(shù)值計算結(jié)果一致:即隨基坑開挖深度的增加,拱腰位置處管片水平位移逐漸增大,當施作基坑內(nèi)部結(jié)構(gòu)后,管片位移具有減小的趨勢。

圖24 拱腰水平累計收斂觀測值隨時間變化曲線

依據(jù)觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計可得,靠近基坑側(cè)隧道拱頂累計沉降量最大(為3.7 mm),觀測范圍內(nèi)盾構(gòu)隧道拱頂平均沉降量為0.045 mm,豎向位移平均日變化量為0.142 mm/d。 基坑開挖對盾構(gòu)管片影響相對較小。

4 結(jié)論

(1)基坑開挖會引起盾構(gòu)管片的位移,盾構(gòu)管片水平位移最大為5.24 mm,管片最大豎向位移為1.17 mm, 靠近基坑一側(cè)模型中部拱肩位置管片變形最大,兩側(cè)逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

(2)基坑開挖引起周邊地層產(chǎn)生沉降,最達沉降量為4.23 mm,發(fā)生在靠近盾構(gòu)管片一側(cè)的基坑處。

(3)基坑開挖引起的應力卸荷作用對盾構(gòu)管片影響相對較小,豎向應力最大部位仍為拱肩位置,其最大值為3.58 MPa,未超過管片結(jié)構(gòu)材料的強度。